Fyzici po prvýkrát zisťujú známky neutrín na Veľkom hadrónovom urýchľovači

Scientific First v CERN predstavuje ukážku nadchádzajúcej 3-ročnej výskumnej kampane.

Tím International Forward Search Experiment, vedený fyzikmi z Kalifornskej univerzity v Irvine, prvýkrát objavil neutrínových kandidátov produkovaných Veľkým hadrónovým urýchľovačom. CERN Zariadenie neďaleko Ženevy, Švajčiarsko.

V článku uverejnenom 24. novembra 2021 v časopise fyzický prehľad dV tomto výskumníci opisujú, ako pozorovali šesť interakcií neutrín počas pilotnej prevádzky kompaktného emulzného detektora inštalovaného na LHC v roku 2018.

„Pred týmto projektom neboli nikdy pozorované žiadne známky neutrín na zrážači častíc,“ povedal spoluautor Jonathan Fang, významný profesor fyziky a astronómie UCI a spolulíder spolupráce FASER. „Tento významný prielom je krokom k hlbšiemu pochopeniu týchto nepolapiteľných častíc a ich úlohy vo vesmíre.“

Povedal, že jeho tím získal dve dôležité informácie z pátrania počas pilota.

Detektor častíc FASER, ktorý získal schválenie CERN na inštaláciu vo veľkom hadrónovom urýchľovači v roku 2019, bol nedávno rozšírený o nástroj na detekciu neutrín. Tím FASER pod vedením UCI použil v roku 2018 menší detektor rovnakého typu, aby urobil prvé pozorovania nepolapiteľných častíc produkovaných na zrážači. Výskumníci tvrdia, že nový nástroj bude schopný odhaliť tisíce interakcií neutrín v priebehu nasledujúcich troch rokov. kredit: foto s láskavým dovolením CERNu

„Najprv sa overilo, že poloha vedľa interakčného bodu ATLAS na LHC je správnym miestom na detekciu neutrín zrážača,“ povedal Fang. „Po druhé, naše úsilie preukázalo účinnosť použitia emulzného detektora na pozorovanie týchto typov interakcií neutrín.“

Pilotný prístroj sa skladá z olovených a volfrámových platní, ktoré sa striedajú s vrstvami emulzie. Počas zrážok častíc na LHC sa niektoré neutrína rozbili na jadrá v hustých kovoch, čím sa vytvorili častice, ktoré prechádzajú vrstvami emulzie a vytvárajú stopy, ktoré sú viditeľné po spracovaní. Tieto lepty poskytujú informácie o energii častíc, ich chuti – tau, mión alebo elektrón – a či ide o neutrína alebo antineutrína.

Podľa Fanga emulzia funguje podobným spôsobom ako fotografia v ére pred digitálnymi fotoaparátmi. Keď je 35-milimetrový film vystavený svetlu, fotóny zanechávajú stopy, ktoré sa počas vývoja filmu javia ako vzory. Výskumníci FASER boli podobne schopní pozorovať interakcie neutrín po odstránení a vyvolaní emulzných vrstiev detektora.

Fang povedal: „Po overení účinnosti prístupu emulzného detektora na pozorovanie interakcií neutrín produkovaných v časticových zrážačoch, tím FASER teraz navrhuje novú sériu experimentov s kompletným prístrojom, ktorý je oveľa väčší a výrazne efektívnejší.“ .“

Experiment FASER sa nachádza 480 metrov od interakčného bodu ATLAS vo Veľkom hadrónovom urýchľovači. Podľa Jonathana Fanga, významného profesora fyziky a astronómie UCI a spolulídera spolupráce FASER, je to dobré miesto na detekciu neutrín, ktoré sú výsledkom zrážok častíc v zariadení. kredit: foto s láskavým dovolením CERNu

Od roku 2019 sa on a jeho kolegovia pripravujú na uskutočnenie experimentu s prístrojmi FASER na sondovanie temnej hmoty na LHC. Dúfajú, že sa im podarí odhaliť temné fotóny, čo výskumníkom poskytne prvý pohľad na to, ako temná hmota interaguje s normálnymi atómami a inou hmotou vo vesmíre prostredníctvom negravitačných síl.

Po úspechu ich neutrínovej práce za posledných niekoľko rokov tím FASER – pozostávajúci zo 76 fyzikov z 21 inštitúcií v deviatich krajinách – zostavuje nový emulzný detektor s prístrojom FASER. Zatiaľ čo pilotný detektor vážil asi 64 libier, prístroj FASERnu by vážil viac ako 2 400 libier a bol by oveľa citlivejší a schopný rozlišovať medzi odrodami neutrín.

„Vzhľadom na výkon nášho nového detektora a jeho hlavné umiestnenie v CERN-e očakávame, že budeme môcť zaznamenať viac ako 10 000 neutrínových interakcií v ďalšej časti LHC od roku 2022,“ povedal spoluautor David Kasper, spoluautor projektu FASER. vedúci a docent fyziky a astronómie na UCI. „Zistíme neutrína s najvyššou energiou, aké kedy vznikli z umelého zdroja.“

Čo robí FASERnu jedinečným, povedal, je to, že zatiaľ čo iné experimenty dokázali rozlíšiť medzi jedným alebo dvoma typmi neutrín, bude schopný pozorovať všetky tri príchute, ako aj ich antineutrínové náprotivky. Casper povedal, že počas ľudskej histórie bolo pozorovaných len 10 neutrín tau, ale očakáva, že jeho tím bude schopný toto číslo v priebehu nasledujúcich troch rokov zdvojnásobiť alebo strojnásobiť.

„Je to neuveriteľne pekné spojenie s tradíciou na katedre fyziky na UCI,“ povedal Fang, „pretože pokračuje v odkaze zakladajúceho člena fakulty UCI Friedricha Reinsa, ktorý získal Nobelovu cenu za fyziku.“ Prvýkrát objavil neutríno .“

„Uskutočnili sme experiment svetovej úrovne v poprednom svetovom laboratóriu časticovej fyziky v rekordnom čase a s veľmi nekonvenčnými zdrojmi,“ povedal Kasper. „Sme vďační Heising-Simmons Foundation a Simmons Foundation, ako aj Japonskej spoločnosti na podporu vedy a CERNu, ktoré nás štedro podporili.“

Odkaz: „Prvý kandidát interakcie neutrín na LHC“ od Hanso Abreu et al. (spolupráca FASER), 24. novembra 2021, fyzický prehľad d,
DOI: 10.1103/PhysRevD.104.L091101

Savannah Shivali a Jason Arakawa, UCI Ph.D. Do príspevku prispeli aj študenti fyziky a astronómie.